Sau khi tốt nghiệp Cao đẳng Ngân hàng một năm, từ tháng 12 năm 1996, ông bắt đầu sự nghiệp của mình ở vị trí cán bộ kinh doanh đối ngoại Chi nhánh quận Ba Đình, thành phố Hà Nội của VietinBank cho đến tháng 12 năm 2000.[5]

Tháng 1 năm 2001 đến tháng 5 năm 2003, ông làm thư ký Tổng Giám đốc VietinBank.[5][7]

Tháng 6 năm 2003 đến tháng 2 năm 2006, ông là Phó Chánh Văn phòng kiêm thư ký Tổng giám đốc VietinBank[5][7]

Ngày 19 tháng 5 năm 2003, ông gia nhập Đảng Cộng sản Việt Nam.[4]

Từ tháng 3 năm 2006 đến tháng 8 năm 2008, ông giữ chức Phó Trưởng phòng Khách hàng Doanh nghiệp lớn của VietinBank[5][7]

Từ tháng 9 năm 2008 đến tháng 12 năm 2009, ông giữ chức Trưởng phòng Khách hàng Doanh nghiệp lớn của VietinBank[5][7]

Tháng 1 năm 2010 đến tháng 5 năm 2011, ông là Giám đốc VietinBank chi nhánh thành phố Hà Nội.[5][7]

Từ tháng 6 năm 2011 đến ngày 25 tháng 12 năm 2011, ông là thành viên hội đồng quản trị, Quyền Tổng Giám đốc VietinBank [5][7]

Từ ngày 26 tháng 12 năm 2011 đến ngày 28 tháng 4 năm 2014, ông là thành viên hội đồng quản trị kiêm Tổng Giám đốc VietinBank[7]

Ngày 29 tháng 4 năm 2014, ông trở thành Chủ tịch Hội đồng quản trị VietinBank[5][7]

Ngày 26 tháng 1 năm 2016, ông được bầu làm ủy viên dự khuyết Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII nhiệm kì 2015-2020.[10]

Ngày 22 tháng 5 năm 2016, ông trúng cử Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa 14 tại đơn vị bầu cử Hà Nội.

Ngày 13 tháng 7 năm 2018, Bộ Chính trị đã luân chuyển, chỉ định ông tham gia Ban Chấp hành, Ban Thường vụ Tỉnh ủy Quảng Ninh (nhiệm kỳ 2015 - 2020) và được bầu giữ chức Phó Chủ tịch UBND tỉnh Quảng Ninh khóa XIII (nhiệm kỳ 2016 - 2021) với số phiếu đạt 66/67 phiếu, đạt 98,5% số đại biểu có mặt, đạt 89,1% tổng số đại biểu HĐND tỉnh.[11]

Ngày 27 tháng 6 năm 2019, tại Kỳ họp thứ 40, Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Quảng Ninh khóa 14, ông được Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Quảng Ninh bầu làm Phó Bí thư Tỉnh ủy Quảng Ninh nhiệm kì 2015-2020.[12]

Ngày 5 tháng 7 năm 2019, tại Kỳ họp thứ 12 (kỳ họp bất thường) HĐND tỉnh Quảng Ninh khóa XIII, nhiệm kỳ 2016-2021, ông được bầu làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ninh nhiệm kỳ 2016-2021.[13]

Ngày 16 tháng 5 năm 2020, UBTV Quốc hội đã ban hành Nghị quyết số 942/NQ-UBTVQH14 về việc phê chuẩn kết quả bầu Trưởng đoàn Đại biểu Quốc hội khóa XIV tỉnh Quảng Ninh.

Ngày 26 tháng 9 năm 2020, tại hội nghị lần thứ nhất BCH Đảng bộ tỉnh Quảng Ninh khoá XV, nhiệm kỳ 2020 - 2025, ông tiếp tục được bầu làm Phó Bí thư tỉnh ủy Quảng Ninh khóa XV.

Quyết định của Bộ Chính trị ngày 11 tháng 10 năm 2020 về công tác cán bộ được ông Phạm Minh Chính, Ủy viên Bộ Chính trị, Trưởng ban Tổ chức Trung ương, trao cho ông Thắng chiều 11/10, tại trụ sở Tỉnh ủy Quảng Ninh.Ông Thắng sẽ thôi tham gia Ban Chấp hành, Ban Thường vụ Tỉnh ủy Quảng Ninh, chỉ định tham gia Ban Chấp hành, Ban Thường vụ và giới thiệu bầu làm Bí thư Tỉnh ủy Điện Biên nhiệm kỳ 2020-2025.[14]

Trong chương trình Đại hội Đảng bộ tỉnh Điện Biên lần thứ XIV nhiệm kỳ 2020-2025, chiều ngày 14 tháng 10 năm 2020, Nguyễn Văn Thắng được tín nhiệm bầu giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Điện Biên.[15]

Ngày 22 tháng 10 năm 2020, UBTV Quốc hội đã ban hành Nghị quyết số 1038/NQ-UBTVQH14 , Ông Nguyễn Văn Thắng chuyển sinh hoạt từ Đoàn đại biểu Quốc hội tỉnh Quảng Ninh đến Đoàn đại biểu Quốc hội tỉnh Điện Biên.

Ngày 24 tháng 12 năm 2020, Theo Nghị quyết số 1118/NQ-UBTVQH14, Ủy ban Thường vụ Quốc hội phê chuẩn kết quả bầu ông Nguyễn Văn Thắng, Ủy viên dự khuyết Ban Chấp hành Trung ương Đảng, Bí thư Tỉnh ủy Điện Biên, đại biểu Quốc hội khóa XIV giữ chức vụ Trưởng Đoàn đại biểu Quốc hội khóa XIV tỉnh Điện Biên.

Ngày 30 tháng 01 năm 2021, tại Đại hội Đại biểu toàn quốc Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XIII, ông được bầu làm Ủy viên chính thức Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khoá XIII.

Chủ tịch Hội đồng quản trị VietinBank

Dưới thời ông Nguyễn Văn Thắng, VietinBank đã có thương vụ M&A lớn khi hoàn tất việc bán 19,73% cổ phần cho cổ đông chiến lược là The Bank of Tokyo-Mitsubishi UFJ, Ltd.[9]

Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa XIV thành phố Hà Nội

Ngày 22 tháng 5 năm 2016, Nguyễn Văn Thắng trúng cử Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa 14 tại thành phố Hà Nội.

Ủng hộ dự Luật đặc khu

Ngày 23 tháng 5 năm 2018, tại kì họp thứ 5 năm 2018, khi thảo luận tại nghị trường Quốc hội Việt Nam về dự án Luật Đơn vị hành chính - kinh tế đặc biệt Vân Đồn, Bắc Vân Phong, Phú Quốc (gọi là các đặc khu), Nguyễn Văn Thắng bày tỏ sự hoàn toàn đồng tình thống nhất với các nội dung của dự luật này, đồng thời đề nghị bổ sung 3 ngành cần ưu đãi là tài chính ngân hàng, giáo dục đào tạo, và y tế bên cạnh nghỉ dưỡng, khách sạn và casino.[16]